Международный коллектив исследователей из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Университета имени Сунь Ятсена (Гуанчжоу, КНР) и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого предложили способ повысить стабильность протонпроводящих мембран для топливного элемента, что позволит продлить срок службы устройств, снизить себестоимость вырабатываемой энергии и таким образом приблизить переход к водородной энергетике.

Коллектив использовал первые образцы российского фторполимера с сульфогруппами, полученные компанией ООО «МТБ Технолоджи», аналог используемого во всем мире материала Nafion. Его предварительная обработка фтором позволила повысить устойчивость материала к перекисным радикалам, выделение которых возможно в ходе работы топливного элемента. Результаты исследования, выполненного в рамках государственного задания ИОНХ РАН, опубликованы в журнале Polymer degradation and stability.

Комплекс мероприятий по снижению выбросов углерода и других парниковых газов в атмосферу, которые образуются в процессе сжигания ископаемого топлива (процесс декарбонизации) требует радикального пересмотра источников энергии и перехода от традиционного сжигаемого топлива к различным альтернативным источникам. Топливные элементы являются основными кандидатами в качестве альтернативы двигателей внутреннего сгорания для транспортных средств различного класса, в частности, легковых автомобилей, городских и магистральных грузовых машин, автобусов, водного транспорта и так далее. Протонпроводящая мембрана (электролит) — является «сердцем» топливного элемента и служит для разделения топлива и переноса протона от положительно заряженного электрода к отрицательно заряженному электроду. В качестве такой мембраны используется фторсодержащий полимер с сульфогруппами, обеспечивающими перенос протонов. Одним из сдерживающих факторов использования топливных элементов является недостаточный срок их эксплуатации. Решением такого вопроса может служить повышение химической стабильности мембраны.

Российиско-китайский коллектив представил результаты исследования стабилизации перфторсульфополимеров, произведённых в России, за счёт обработки фтором. Воздействие фтором позволило перевести уязвимые для атаки радикалов группы в более стабильное состояние. Полученные из обработанного материала протонпроводящие мембраны показали характеристики, сопоставимые с таковыми для коммерческого аналога иностранного производства. Особенно следует отметить, что мощность топливного элемента на новой разработанной лабораторной мембране на 20 % выше, чем на применяемом аналоге.

«Синтезированный полимер содержит некоторое химические связи, уязвимые к воздействию свободных радикалов. Если из такого материала сразу изготовить мембрану, со временем её свойства начнут ухудшаться: толщина будет уменьшаться, а функциональные группы, обеспечивающие протонный транспорт, — разрушаться. В результате мощность топливного элемента падает, а срок его службы сокращается. Чтобы решить эту проблему, мы предложили метод обработки полимера фтором. Фторирование стабилизирует слабые связи и делает их устойчивыми к атаке радикалов. Мембраны, полученные из такого полимера, демонстрируют повышенную стабильность и сохраняют свои свойства в течение длительного времени. Наша разработка позволяет значительно увеличить ресурс топливных элементов, что снижает стоимость вырабатываемой энергии. Это важный шаг на пути к массовому внедрению водородных технологий, которые могут стать основой чистой и эффективной энергетики будущего», — рассказала доктор химических наук Екатерина Юрьевна Сафронова, старший научный сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН, возглавляемой академиком РАН Андреем Борисовичем Ярославцевым.

Результаты исследования показывают, что фторирование может значительно улучшить стабильность протонпроводящих мембран в условиях эксплуатации водородно-воздушных топливных элементов. По словам авторов, исследование вносит существенный вклад в разработку российских протонпроводящих мембран на основе полимера, полученного компанией ООО «МТБ Технолоджи», для топливных элементов и электролизёров воды. В дальнейшем планируется возможность получения такого типа мембран большого размера.

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.